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AVALIAO DA EFICINCIA DE PROCESSOS PSA NA
REMOO DE CO2
L.M. ALMEIDA, L.S. CORREIA, J.D.L. MORENO, M. BASTOS-NETO,
D.C.S. AZEVEDO
Universidade Federal Do Cear, Departamento de Engenharia
Qumica
E-mail para contato: [email protected]
RESUMO A alta concentrao de gases estufa na atmosfera,
especialmente o CO2, e sua
implicao nas mudanas climticas tornaram-se um motivo de
preocupao cientfica,
poltica e social. Uma tecnologia que vem ganhando visibilidade
mundialmente para
reduo das emisses de CO2 so os processos de captura de carbono
em materiais
adsorventes, tais como a PSA (Pressure Swing Adsorption). Esta
tecnologia tem
demonstrado um bom desempenho com consumos de energia, em geral,
mais baixos do
que outros processos de separao. O ponto crucial que usualmente
define a viabilidade
tcnico-econmica deste tipo de processo a escolha do adsorvente
adequado e da
otimizao das condies de operao. Neste trabalho sero utilizados
modelos
computacionais para a previso do comportamento dinmico de ciclos
de adsoro em
uma PSA, modificando-se parmetros como o nmero de etapas, para
avaliarmos as
melhores janelas operacionais para a separao de N2/CO2, tpico de
cenrios ps-
combusto.
1. INTRODUO
Nos ltimos anos, a crescente preocupao com os impactos negativos
da gerao e consumo de
energia despertou o interesse em estudar e desenvolver novas
tecnologias de baixa emisso de dixido
de carbono. Os combustveis fsseis fornecem cerca de 80% de toda
a energia comercial, o que tem
sido o principal fator contribuinte para o aumento de gases de
efeito estufa na atmosfera da Terra, que
podero causar mudanas significativas no clima, acarretando
impactos econmicos e sociais.
Acredita- se que as emisses de dixido de carbono so responsveis
por cerca de trs quartos dos
gases de efeito estufa globais (Huaman e Jun, 2014).
Embora a contribuio das energias renovveis esteja crescendo de
forma significativa, os
combustveis fsseis, como o carvo, continuaro a ser a principal
fonte de energia do mundo durante
as prximas dcadas. A emisso de gases do efeito estufa de usinas
movidas a carvo pode ser
reduzida atravs do aumento da eficincia de converso de energia
ou atravs da separao e reteno
de CO2, comumente referido como Carbon Capture and Storage (CCS)
(Roeder et al., 2013).
Tecnologias CCS so baseadas na ideia de separar o CO2 produzido
por usinas de energia de
combustvel fssil e armazenar permanentemente fora da atmosfera
(Vaccarelli et al., 2014). Como
um mtodo seguro e eficiente de captura e armazenamento de bilhes
de toneladas de CO2 no subsolo
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durante milhares de anos, tal tecnologia representa, portanto,
uma ponte para um sistema de energia
verdadeiramente sustentvel (Huaman e Jun, 2014).
Entre as tecnologias de adsoro, Pressure Swing Adsorption (PSA)
tem se destacado para
separao e captura de CO2 devido ao consumo de energia e custos
de capital mais baixos, em
comparao com mtodos de separao comuns, tais como a absoro e a
destilao. Esta tecnologia
baseia-se na adsoro preferencial do gs indesejado em um
adsorvente poroso em alta presso e a
recuperao do gs a baixa presso (Alonso-Vicario et al., 2010).
Neste trabalho avaliaremos o
comportamento de ciclos de adsoro em uma PSA, atravs de
parmetros de desempenho, como
pureza de N2, com a mudana da razo entre os tempos de durao de
cada etapa ao longo de vrios
ciclos.
2. METODOLOGIA
2.1. Procedimento Experimental
Para obteno de curvas de breakthrough multicomponente,
projetou-se um sistema dinmico
consistindo de quatro controladores de vazo volumtrica, uma
vlvula de backpressure, uma vlvula
micromtrica, uma vlvula multi-loop, um transdutor de presso, um
multmetro digital e dois
cromatgrafos, um sendo utilizado para regenerao da coluna com
adsorvente e medio de curvas
de breakthrough monocomponente, e o outro, para obteno de
breakthrough multicomponentes.
Utilizou-se um cromatgrafo (Varian, EUA), modelo 450 GC, para
regenerao de uma coluna em
ao inox de comprimento de 250 mm e dimetro interno de 4,6 mm
recheada com uma amostra de
carbono ativado denominado C141 (Carbomafra, Brasil). O controle
de temperatura no forno do
450 GC permite regeneraes sob temperaturas de at 723 K e taxas
de aquecimento de 1 a
100 K/min. Acoplou-se a sada da coluna entrada de um detector de
condutividade trmica (TCD),
permitindo a obteno de curvas de breakthrough monocomponente, e
a sada do TCD uma vlvula
multi-loop (Valco, EUA) com 12 loops de 1 mL. Cada loop coleta
uma alquota da mistura CO2-N2
em hlio em tempos pr-definidos ao longo de um experimento sob
fluxo contnuo, sendo a
composio da mistura presente em cada loop posteriormente
analisada pelo segundo cromatgrafo
(Varian, EUA), modelo 430 GC, que consta de uma coluna modelo
60/90 Carboxen 1000 (Sigma-
Aldrich, Canad), especfica para gases como CO2 e N2. A mistura
gasosa foi preparada atravs do
ajuste das vazes de cada gs por meio de controladores de vazo
mssica SideTrak 840 (Sierra
Instruments, EUA) nas seguintes propores: 15 mol% CO2, 75 mol%
N2 e 10 mol% He. Ensaios de
adsoro monocomponente para CO2 e N2foram realizados a 298 K com
o auxlio de uma balana de
suspenso magntica e utilizando o procedimento apresentado em
Bastos-Neto et al. (2005).
2.2. Modelo Matemtico
Neste trabalho, cada ciclo de PSA compreende uma sequncia de
passos de pressurizao, na
qual ocorre a reteno de CO2 num leito poroso e despressurizao,
que consiste na regenerao do
leito para um novo ciclo. Cada etapa tem comportamento
fortemente transiente, mas devido a
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repetio de ciclos o sistema tende a atingir um estado
estacionrio. O objetivo do processo PSA
maximizar o rendimento do produto da separao e sua eficincia
depende principalmente da
temperatura, da presso e do material adsorvente utilizado. No
caso da PSA, a temperatura
constante e a presso varivel (Santos et al., 2013; Niesner et
al., 2013).
A fim de descrevermos o comportamento dinmico do processo em uma
unidade PSA com
uma coluna, realizamos os balanos materiais e de momento,
conforme mostrado na Figura 1 (Santos
et al., 2013). As principais consideraes deste modelo so: (i) a
resistncia transferncia de massa
controlada pela difuso no microporo; (ii) equilbrio de adsoro
apenas entre as fases gasosa e slida;
(iii) sistema isotrmico e (iv) o ciclo constitudo de duas
etapas, sendo a primeira a pressurizao e a
segunda a despressurizao. Condies iniciais e de contorno,
necessrias para a resoluo de
equaes diferenciais parciais contidas no modelo, so apresentadas
na Figura 2. O modelo
matemtico foi implementado no gPROMS (Process System Enterprise,
UK) e foi solucionado
numericamente usando o mtodo de colocao ortogonal de elementos
finitos (OCFEM).
Balano de massa da fase fluida (0 < z < L):
, ,, , (1 ) 0g i g ii i
ax g T g i P ap
C C qyD C uC
z z z t t t
Balano de massa para a partcula (0 z L):
, *
2( )
c c iii i
c
Dqq q
t r
Equilbrio de adsoro
max,*
1
1
i i i
i n
j j
j
q b Pq
b P
(Langmuir Estendido)
Balano de momento(0 z L):
2
3 2
180 (1 )
p
Pu
z d
Lei dos gases ideais
,TgP C RT
Figura 1 - Modelo matemtico utilizado para simulao de unidade
PSA.
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Pressurizao
Em z= 0:
, , ,T0 00
inlet inlet ig i g i ax gz z
z
yu C u C D C
z
Em z = L:
;
Despressurizao
Sada, z = 0: ;
Em z = L:
;
Figura2 - Condies iniciais e de contorno do modelomatemtico
utilizado para simulao de
unidade PSA.
2.3. Parmetros do Modelo
O coeficiente de disperso axial foi calculado de acordo com
Lopes et al. (2009). A viscosidade
da fase gasosa, , foi estimada pela equao de Wilke (Bird et al.,
2006). A difusividade nos
microporos foi estimada utilizando o gPROMS a partir de uma
comparao dos dados experimentais
com o modelo. Todos os demais parmetros foram obtidos de Perry
et al. (1999). Os parmetros do
modelo matemtico so sumarizados na Figura 3.
Leito/Coluna Transporte
L [m] 1,00 Dax [m2/s] 2,82410
-5
b [kg/m3] 800 Dc/rc
2 [s
-1] 410
-2 (CO2)/ 210
-2(N2)
0,35
di [m] 0,04996 Momento
[Pa.s] 1,810-5
uinlet
[m/s] 0,0051
Partcula Pinlet
[MPa] 0,212
rp [m] 1,512510-4
ap [kg/m3] 2026 Equilbrio Adsoro
P 0,486 qmax [mol/kg] 7,71 (CO2) / 3,61 (N2)
ks 2 b [MPa-1
] (298 K) 5,36 (CO2) / 1,23 (N2)
Figura 3 - Parmetros do modelo matemtico.
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A coluna da unidade PSA foi recheada com carbono ativado C141
(Carbomafra, Brasil) e
alimentada com uma mistura contendo 75% N2 e 25% CO2 a 1,5 bar e
a 298 K. A durao das etapas
de pressurizao e de despressurizao foi estimada a partir de uma
curva de breakthrough
experimental para o sistema estudado. Para avaliao do desempenho
do processo PSA, a pureza do
produto desejado (N2) foi avaliada ao longo do nmero de ciclos,
conforme a Equao 1 (Santos et
al., 2013). Uma maior pureza sugere uma maior reteno de CO2 no
leito. A coluna era operada de
forma a produzir N2 durante a pressurizao e CO2 na
despressurizao.
(1)
3. RESULTADOS E DISCUSSES
As isotermas de adsoro de CO2 e N2 em C141 a 298 K esto
apresentadas na Figura 4. A
partir delas foram obtidos os parmetros de equilbrio de adsoro
citados nas Figuras 1 e 3.
0 2 4 6 8 10
0
2
4
6
8
10
q (
mo
l.kg
-1)
pressao (bar)
C141
CO2 - 25 C
N2 - 25 C
(a)
0 150 300 450 600
0,0
0,4
0,8
1,2
CO2
N2
C/C
0
t (s)
(b)
Figura 4 (a) Isotermas de adsoro de CO2 e N2 no carbono ativado
C141 a 298 K. (b) curva
de breakthrough experimental para o sistema estudado, de onde se
estimou o tempo para a etapa de
pressurizao e de despressurizao. O tempo de breakthrough foi
definido como 300 s.
Observa-se que o CO2 possui uma maior afinidade com o adsorvente
que o N2. A
despressurizao realizada de 1,5 a 0,1 bar permite que o
adsorvente perca de aproximadamente 3,0
mol/kg de CO2, caso o equilbrio seja rapidamente atingido. As
isotermas no nos fornecem, no
entanto, nenhuma informao a respeito dos fenmenos de
transferncia de massa. Em caso de
cintica lenta, o processo de regenerao pode ficar comprometido
em tempos curtos de operao.
Desta forma, torna-se til o uso de curvas de breakthrough para
se avaliar o tempo do ciclo.
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As curvas de breakthrough mostradas na Figura 4(b) sugerem que
at um tempo de
aproximadamente 300 segundos a corrente de sada da etapa de
pressurizao deve estar praticamente
livre de CO2.
A Figura 5 mostra os resultados de pureza de N2 obtidos atravs
de simulao com o modelo
PSA de uma coluna e duas etapas (pressurizao e despressurizao),
para ciclos de 600 segundos de
durao em diferentes propores entre a durao das etapas de
pressurizao e despressurizao,
respectivamente (1:1, 2:1 e 1:2).
0 100 200 30070
80
90
100
1:2
1:1
2:1
pu
reza
de
N2 (%
)
n de ciclos
Figura 5 Avaliao da pureza de N2 na sada de uma unidade PSA de
uma coluna recheada
com carbono ativado C141 e alimentada por uma mistura (25% CO2 e
75% N2) a 1,5 bar e 298 K.
A concentrao de N2 passa de 75% para aproximadamente 93%. Alm
disso, observa-se que
para a proporo 2:1, h um decrscimo na pureza devido ao aumento
da durao da etapa de
pressurizao, fazendo com que mais CO2 saia na corrente de
produto. Para as propores 1:1 e 1:2,
temos que estas apresentam purezas semelhantes, contudo, h uma
produo maior de N2 na
proporo 1:1 pelo fato de a etapa de pressurizao ter uma durao
maior.
4. CONCLUSES
A unidade PSA foi simulada em condies semelhantes aos
experimentos em leito fixo.
Percebeu-se que as curvas de pureza 1:1 e 1:2 tendem a ficar
constantes, por volta de 93,7%, aps
cerca de 250 ciclos de operao. Foi observado que a durao de cada
etapa pode ser um fator
determinante para a obteno de dados de pureza. Possivelmente, a
utilizao de presses de
alimentao maiores aumentaria o gradiente na pressurizao e,
consequentemente, melhoraria os
resultados do processo.
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5. NOMENCLATURA
ib parmetros de Langmuir, MPa-1
*iq concentrao adsorvida em equilbrio
comCg,i, mol/kg
,g iC concentrao do componente i nafase gasosa,
mol/m3 i
q concentrao adsorvida mdia da
partcula, mol/kg
Cg,iinlet concentrao do componente i nafase gasosa na
entrada da coluna,mol/m3
max,iq capacidade mxima de adsoro da
isoterma de Langmuir, mol/kg
,g TC concentrao total na fase gasosa,
mol/m3
R constante dos gases ideais, J/mol.K
axD coeficiente de disperso axial, m2/s cr raio do microporo,
m
,c iD difusividade no microporo do
componente i, m2/s
t tempo, s
id dimetro interno do leito, m
tempo da etapa de alimentao, s
pd dimetro da partcula, m T temperatura da fase gasosa, K
ks fator geomtrico (0-plano; 1-cilindro;
2-esfera), adimensional u velocidade superficial, m/s
L comprimento da coluna, m uinlet velocidade superficial na
entrada da
coluna, m/s
P presso da mistura gasosa na fase
bulk, Pa iy
frao molar do componente i,
adimensional
iP presso parcial do componente i, Pa z posio axial, m
Pinlet
presso da mistura gasosa na entrada
da coluna, Pa T temperatura da fase gasosa, K
Poutlet
presso da mistura gasosa na sada da coluna, Pa
Letras Gregas
porosidade do leito, adimensional ap densidade aparente da
partcula, kg/m3
P porosidade da partcula, adimensional b densidade do leito,
kg/m
3
viscosidade da mistura gasosa na fase bulk,
Pa.s
c fator LDF [c = (ks+ 1)(ks+ 3)]
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